磁流变液制动器（共4篇）
磁流变液制动器 篇1
0 引言
1948年美国国家标准局Rabinow J首先提出了磁流变效应(MRE)的概念:在外加磁场的作用下,流体的黏度会迅速发生显著变化,其表观黏度可增大两个数量级以上,使得流体的流动屈服应力增大,由流体状态转变成为黏塑性状态,呈现出类似固体的力学性质,从而改变其流变特性;但当去掉外加磁场后,流体又从黏塑性状态迅速恢复到原来的流体状态,其中的响应时间仅为几毫秒[1]。磁流变液具有这种独特的智能特性,且具有较高的屈服应力、温度适应性强、响应时间短、稳定性好、低电压需求等优点,引起了学术界和工程界的极大关注。
1 磁流变液的组成及其特性
磁流变液主要由软磁性颗粒、载液、稳定剂组成。根据组成和性能的不同,可将磁流变液分为微米磁性颗粒-非磁性载液型、纳米磁性颗粒-非磁性载液型、非磁性颗粒-磁性载液型、磁性颗粒-磁性载液型[2]。
磁流变液(magneto-rhelogical fluids,简称MRF)是一种可以通过控制外加磁场而变化的液体,在外加磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的流体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化具有可逆性,电磁场对磁流变液特性的这种影响称为磁流变效应。
2 磁流变液的工作模式
根据磁流变液流动特性的不同,磁流变液减振器的工作模式有多种,但它们都基于两种工作模式,即剪切模式和流动模式[3]。
2.1 剪切工作模式
剪切模式是上、下极板以相对速度平行运动,如图1所示。外加磁场垂直于极板相对运动方向,磁流变液在两相对运动的极板间流动,形成剪切变形。外加磁场受激励电流或电压控制,通入不同的电流将产生不同的磁场强度,其相应的剪切屈服应力强度也会随之变化,因此可以通过改变电流或电压值的大小来控制阻尼力的大小。
2.2 流动工作模式
流动模式是上、下极板固定不动,流体以一定速度流过极板间隙,如图2所示。外加磁场同样垂直于极板方向,磁流变液在相对静止的极板间运动,磁流变液在流经极板间隙产生的压力差受到外界磁场的控制。
3 磁流变液技术的应用现状
3.1 磁流变技术在汽车制造行业中的应用
在国外,磁流变技术应用较为成熟的是美国的Lord公司,他们通过分析磁流变液的特性,指出磁流变液在各方面都具有优于电流变液的独特智能性,在国际上开辟了磁流变液研究的先河,开发的流动模式汽车座椅悬架减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动减振系统中,提高了汽车的行驶平顺性和操作稳定性[4];Delphi公司的MagneRide半主动悬架控制系统是汽车产业首次采用不带机电控制阀和不使用小运动部件的半主动悬架系统,是由以磁流变液介质为基础的柱式减振器、传感器和车载控制器构成的,可以提供快速、平顺和连续可变的阻尼力,使车辆减少车身振动并增加轮胎与各种路面的附着力,使驾驶者能获得更好的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性[5]。
在国内,汽车行业和研究机构也进行了大量的工作,国家在资金上也给予了一定的支持。重庆大学余淼对基于动觉智能图式的汽车磁流变半主动悬架仿人智能控制器进行了研究;重庆大学董小闵研究了汽车磁流变液-弹耦合碰撞缓冲系统不确定时滞动力学行为及仿人自适应控制;浙江大学梅德庆等人发明了一种微型汽车磁流变智能减振器,配上控制器则可以根据实际路况自动调节阻尼特性,实现微型汽车智能减振的效果[6]。
3.2 在土木工程中的应用
在土木工程中,传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵抗地震作用的,但是这种抗震方式缺乏自我调节能力。随着磁流变液技术的日趋成熟,人们利用磁流变技术对结构振动进行控制,即对结构施加控制机构,由智能控制机构和结构共同承受自然灾害对建筑物的作用以协调和减轻结构的振动反应[7]。大型磁流变阻尼器在大跨斜拉桥、建筑结构中的使用,实现了对受自然界影响产生的振动的有效控制。如日本的Takenaka实验大楼和Kankyn chanyamechi大楼等是主动控制在土木工程中的应用;Sack和Pattea将可变阀式流体阻尼器应用于Oklahoma州的135号州际高速公路桥的振动控制中[8]。
国内磁流变技术的应用也很成功,陈政清等在岳阳洞庭湖大桥上成功开发并安装的磁流变式拉索减振系统,实现了对拉索风雨振动和其他振动的有效抑制;欧进萍等人在山东滨州黄河公路大桥上也成功地安装了磁流变液阻尼器;东南大学孟少平针对地震和强风等灾害作用进行了结构减振控制高科技探索和系统集成技术的研究,发展城市建(构)筑物耗能减振与智能控制技术和装置,以提升城市建(构)筑物抗震抗风安全性。
3.3 磁流变技术在其他方面的应用
宾夕法尼亚州立大学的研究人员将直升飞机旋转叶片的传统液力阻尼器改为磁流变阻尼器,有效地抑制了叶片的共振,极大地减少直升机飞行姿态和气候变化对飞机和驾乘人员的威胁[9];哈尔滨工程大学姚熊亮等人研发了一种基于磁流变技术的抗冲减振装置,它借助包括计算机在内的控制系统可对磁流变阻尼器的阻尼进行智能调节,可在任意频段内获得较低的振幅和力传递率,克服了传统无源减振装置对于固有频率附近的激励力不起减振作用、不抗击冲击力的缺点,实现了对船舶振动冲击的减振控制[10];在机器人领域,利用磁流变技术可以制造出作用力大、响应快、动作灵活、无磨损、易于控制的活动关节,这比传统的电-液控制关节更加优越[11]。
4 磁流变技术的应用展望
4.1 磁流变技术用于火炮后坐力的控制
传统的弹簧式反后座结构存在重量大、易疲劳的缺点,液体气压式反后座结构中气体的工作特性随温度变化较大,必须经常检查液量和气压,加重了后勤保障的负担。磁流变技术实现了对火炮后坐力的半主动控制,所需能量小,反应时间可以达到毫秒级[12],使火炮在战争中能够更加快速、准确、有效地对目标进行打击。
4.2 磁流变技术用于重载汽车的减振系统
重载汽车尤其是在矿区使用的重载汽车,在装载行驶过程中受到剧烈的冲击振动,工作环境恶劣对汽车悬架装置和车架都会产生很大的作用力。传统矿用汽车广泛采用套筒式悬架装置,耗能大,成本高,可靠性差[13]。而采用磁流变技术的半主动悬架控制则不需外部能源提供控制力,就可以实时将传感器得到的信号反馈到控制系统,通过控制电流或电压来实现对阻尼力大小的控制,该系统具有较好的可靠性和较强的适应性,可以有效地提高重载汽车在恶劣路况上的安全性和平顺性,因此其在重载汽车中的应用前景广阔。
5 结束语
磁流变液是21世纪最具发展潜力的新型智能流体,世界上主要几个工业国家竞相研究其特性并将其广泛用于各工程领域。虽然磁流变技术在汽车、建筑、兵器和航空航天领域已经成功应用,但也面临着许多技术问题,如磁流变液的性能待优化,需要开发零场黏度低、磁场作用下屈服应力大、温度稳定范围宽、响应时间短的材料;需要开发阻尼力可调范围大、适应性强的阻尼器,同时解决密封难、对阻尼器工作缸和活塞的冲刷等问题;鉴于磁流变液本身的智能特点,开发鲁棒性好的智能控制系统。
摘要：磁流变液是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的新型智能流体,具有屈服应力高、温度适用性强、响应时间短、稳定性好、电压需求低等优点。介绍了磁流变液技术在汽车、土木、机械、航空航天等领域的工程应用现状和发展前景。
关键词：磁流变液,应用,特性
磁流变液制动器 篇2
关键词：磁流变制动器,多领域统一建模,仿真,Modelica
0引言
随着电动汽车的发展,一种新型线控制动器—磁流变制动器逐渐得到人们的重视与研究。相比传统的液压制动器,它能够减少制动滞后时间、缩短制动距离、简化制动系统结构、方便地集成各种新型控制技术,从而极大地提高汽车制动性能,有效保障驾乘人员的生命财产安全,具有广阔的工程化应用前景和巨大的商业价值[1,2,3,4]。
Kerem等[5]探讨了磁流变制动器设计中应考虑的一些因素,如磁路设计、材料选择、磁流变液选择、密封、粘性力矩、电流密度等。Edward[6]和Younis[7]分别建立了以最大化制动力矩和最小化重量为目标的优化设计模型,并分别采用模拟退火法和全局优化算法SEUMRE进行优化求解。Edward等[8]用有限元法设计了双盘式磁流变制动器,并在四分之一车模型下分析了制动性能。国内汪建晓等[9]设计并制作了一种小型圆盘式磁流变制动器。宋宇[10]设计了一种复合叶轮式磁流变制动器。本课题组[11,12]分析并优化设计了一款用于微型汽车的圆筒式磁流变制动器。
尽管国内外对磁流变制动器开展了一些研究,但大多数都将结构设计与磁路设计分割开来。实际上, 由于磁流变制动器存在着复杂的机-电-液-磁等多领域耦合问题,如果采用不同领域工具,对磁流变制动器分属于不同领域的各个部分,进行分别建模,然后集成, 则势必会因系统耦合性差、集成度不高而造成仿真精度和效率等方面的问题。如果采用多领域统一建模的方法,就能够在一个系统化的理论基础上采用统一的工具平台,对磁流变制动器进行统一建模,进而进行仿真分析、性能评价与优化设计,从而克服采用工具集成的方法所带来的问题。
因此,本研究基于多领域统一建模理论及Modeli- ca语言[13],使用MWorks平台[14],对磁流变制动器进行多领域统一建模与仿真,然后进行实物样机实验。
1磁流变制动器工作原理
磁流变制动器简图如图1所示。制动器主要由制动盘( 转子) 和外壳( 定子) 两部分组成,二者间的间隙内充满磁流变液。外壳材料采用导磁率高的20钢,制动盘采用电工纯铁DT4。在没有外加磁场时,磁流变液表现为牛顿流体,转子可在磁流变液中自由转动,此时仅有少量的流体粘性力矩。当励磁线圈通电后,磁流变液在磁场作用下发生流变效应,转变为类固体状态,从而对制动盘产生剪切制动力矩。由于磁流变液的这种变化是可逆的,而且磁场强度越大,磁流变液产生的屈服应力也越大,通过调节励磁线圈的电流,就可以调节制动力矩的大小。
1—励磁线圈;2—外壳;3—磁路;4—制动盘;5—磁流变液;6—转轴
2磁流变制动器多领域统一建模
2. 1磁场模型
磁流变制动器的磁场模型是一个涉及结构参数、 材料磁导率参数和电磁参数的多领域耦合模型,它反映出电流与磁场强度或磁感应强度的关系。
如图1所示,封闭虚线表示磁通的走向( 即磁路) : 先沿制动器的轴向穿过制动盘和磁流变液,然后沿制动器的外壳侧面和顶面回到制动盘。根据安培环路定律和磁路欧姆定律知:
式中:ф—磁通量; n—励磁线圈匝数; I—励磁电流; Rm—磁路中的总磁阻,它可由下式求得:
式中: μ—磁导率,S—磁路的横截面积,l—磁路的长度。
根据图1所示的结构及材料特性,磁路中各部分的磁阻分别为:
( 1) 制动盘:
( 2) 磁流变液:
( 3) 外壳侧面( 水平方向) :
( 4) 外壳侧面( 竖直方向) :
( 5) 外壳顶面:
因此,磁路中的总磁阻:
式中: μ1,μ2—制动盘和外壳的磁导率; μm—磁流变液的磁导率; R1,R2—制动盘的最小工作半径和最大工作半径; R3—线圈最大半径; R4—制动器外径; l1—制动盘厚度; l2—制动器外壳厚度。
由于磁路设计的目的是使通过磁流变液的磁通量最大,以获得最大的制动力矩。而通过磁流变液的磁通量为:
式中: B—磁流变液处的磁感应强度,S—磁流变液处的磁路横截面积。
将式( 9) 代入式( 1) ,并整理得:
根据磁流变液的B-H曲线( 这里选用Lord公司的MRF-132DG型磁流变液[15]B-H曲线,该曲线如图2所示) ,即可由磁感应强度B的值,得到磁场强度H的值。
根据以上分析,基于Modelica语言,本研究使用MWorks平台,得到的磁流变制动器的Modelica磁场模型如图3所示。
2. 2制动力矩模型
制动力矩模型是一个涉及结构参数、磁流变液参数和磁场强度的多领域耦合模型,它反映出磁场强度与制动力矩的关系。
如图1所示,制动器的工作区域为半径R1~ R2的制动盘的两圆环表面,在任意半径r处取一微环,其面积为ds = 2πrdr,则产生的作用力为: d F = τds,τ 为磁流变液的剪切应力,从而传递的微力矩为:
可得制动盘的单侧力矩为:
假设磁流变液为不可压缩的Bingham流体,且仅在与转轴垂直方向进行层流运动。由Bingham塑性模型可知:
式中: τy—磁流变液的动态屈服应力,η—磁流变液的粘度,—磁流变液的剪应变率。
由于磁流变液在径向和轴向均不流动,其流速仅是半径的函数,则有( 其中: ω—转轴转速,δ— 制动盘与外壳之间的工作间隙) 。
在没有外加磁场时,磁流变液表现为牛顿流体,此时,产生的粘性力矩Tη为:
当有外加磁场时,磁流变液表现为Bingham流体, 此时 τ = τy= k Hβ,则产生的剪切制动力矩TM为:
式中: N—制动盘的工作面数,这里取2; k,β,η—磁流变液的参数,对于MRF-132DG磁流变液,k = 0. 24,β = 1,η = 0. 09 Pa·s。
因此,磁流变制动器产生的总制动力矩为:
根据以上分析,得到的磁流变制动器的Modelica制动力矩模型如图4所示。
3仿真结果分析
从制动力矩模型可以看出,影响磁流变制动器制动性能的主要因素有: 结构参数、磁路参数、材料特性、 工作间隙、转轴转速和励磁电流等。通过改变各参数值即可仿真得到磁流变制动器在不同情况下的性能, 如图( 5 ~ 7) 所示。
不同转速下的Tη值如图5所示。在其他参数固定且无磁场作用的情况下,粘性力矩Tη与转轴转速 ω 呈线性关系,转速越大,粘性力矩也越大。但粘性力矩只占总制动力矩的很小部分,如图6所示。图6中,不同转速下的3根曲线几乎重合,其细微差别仅是受粘性力矩的影响。因此,磁流变制动器的总制动力矩主要是由剪切制动力矩TM提供,而剪切制动力矩随着电流的增大而增大。因此,通过调节励磁线圈的电流, 就可以调节制动力矩的大小。
工作间隙 δ 不仅影响磁场强度H从而改变TM,而且还直接影响Tη。不同工作间隙下的T值如图7所示。工作间隙越小,产生的总制动力矩越大。但由于考虑到制造和装配的困难,以及磁流变的效应,工作间隙不可过小,通常取值0. 25 mm ~ 2 mm。
为了进一步验证所建模型的正确性,本课题组设计制造了一款用于微型汽车的单盘式磁流变制动器, 其参数为: R4= 150 mm,R3= 137 mm,R2= 130 mm, R1= 25 mm,l1= 11 mm,l2= 9 mm,δ = 1 mm,b = 13 mm, 线圈300匝。选用的磁流变液是Lord公司的MRF- 132DG,搭建的制动器性能测试平台如图8所示。
首先让电机稳定运行到额定转速后,经减速器减速至95 r/min,然后接通电磁离合器,并记录磁流变制动器在输入电流为0时的输出力矩。通过调节直流稳压电源使得制动器的输入电流分别为0. 2 A、0. 4 A、 ……、2. 0 A( 以0. 2 A为间隔递增) ,并分别记录各个电流值下的输出力矩。实验结果如图9所示。
由图9可知,实验结果与仿真结果的曲线走势基本一致,但实际测得值比理论值要小些,这是因为实际中存在的漏磁、制动器温升、制动器加工装配误差等因素都会造成实际值比理论值小。此外,从图9中还可以看出,当电流为2 A时,磁流变制动器的实际输出力矩为204. 7 N·m,满足微型汽车CV6的200 N·m的使用要求,而此时输入电流没有超过励磁线圈的许用值。
1—信号处理系统;2—直流稳压电源;3—接线端子;4—减速器;5—电机;6—联轴器;7—离合器;8—扭矩传感器;9—磁流变制动器
4结束语
磁流变制动器是一种新型线控制动器,属于典型的多领域耦合的复杂物理系统。已有的工作都是对磁流变制动器的结构、磁场和控制等各领域进行单独研究,并采用传统的单领域工具,如ANSYS和Matlab等,进行仿真分析。本研究基于Modelica /MWorks平台,采用多领域统一建模方法,充分考虑各领域的耦合关系,对磁流变制动器所涉及到的结构、电磁场、机械动力学和流体等多个学科领域,进行多领域统一建模。
磁流变液动态性能分数阶建模研究 篇3
关键词：磁流变液,黏弹性流体,分数阶导数,系统建模
0 引言
磁流变液(magnetorheological fluid,MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的智能材料,其流变特性可控,在工程中得到了广泛应用。在力学上,它既具有流体的黏性,又具有弹簧的弹性,因此也称为黏弹性流体。近几年,对黏弹性流体应力-应变关系的研究,主要是引入分数阶导数流变模型代替整数阶模型来描述黏弹性体的本构关系,如分数阶微积分型的Maxwell模型[1]、分数阶Jeffreys模型[2]及分数阶导数的Maxwell体和Kelvin体[3]。分数阶导数流变模型理论克服了经典流变模型理论与实验结果不一致的缺点,更接近客观事物的本质。本文研究的磁流变液是本实验室自制的,为研究其可控的阻尼特性,将分数阶导数引入磁流变液测试系统的建模中。
1 分数阶导数(微积分)
分数阶微积分的概念几乎是和整数阶微积分的概念同时出现的,但由于缺乏分数阶导数的解法,因此很难得到应用而发展缓慢[4,5]。最常用的分数阶微积分有3种,即Riemann-Liouville(R-L)、Caputo和Grünwald-Letnikov(G-L)。这3种定义都可描述实际应用模型的分数阶微分方程的计算方法[6]。相比3种方法而言,R-L定义虽被很多人接纳,但由于其分数导数解的物理意义不是很明确[7,8],因此工程应用较少;Caputo由于其初始值具有明确的物理意义,因此工程应用较多;G-L定义是求解分数阶微积分最直接的方法[9]。G-L定义为
式中,h为计算步长,越小精度越高;x0为计算初值,一般设为0;Γ(·)为伽玛函数;α为微分阶数;t为函数变量;[·]为取整符号,k=0,1,…,(t-x0)/h。
分数阶系统(fractional order system)是用分数阶微分方程描述的系统。分数阶线性定常微分方程的一般形式为
式中,ai为常系数,i=0,1,…,n;βi为导数阶数;u(t)为系统输入函数;y(t)为系统输出响应。
设函数y(t)具有零初始条件,式(2)经Laplace变换得[10]
式中,G(s)为分数阶系统的传递函数。
当βi∈Z时,G(s)为传统整数阶系统的传递函数。显然,分数阶系统是整数阶系统的推广。
2 MRF测试系统的分数阶模型
本文自制的磁流变仪如图1所示,主动盘与固定盘的间隙H可调,实验中设置H=1.4mm。当主动盘以角速度ω旋转时,具有黏弹性的磁流变液在主动盘的拖动下呈现扭转剪切拖拽流动,通过虚拟扭矩仪测量转动轴的转速和扭矩,即可推算出相应的剪切速率和剪切应力。
(b)三维图
为研究磁流变液的剪切流动情况,也即其阻尼效果,实验配置了3种磁流变液:MRF-1、MRF-2和MRF-3(其成分主要有羟基铁粉、异丙醇、硅烷偶联剂、硅油、SiO2等),且其羟基铁粉的质量分数分别为66%、70%和74%;采用的5种转速分别为30r/min、60r/min、90r/min、120r/min和150r/min;设置的工作电流为0.1A。在实验中,利用NI软件LabVIEW构建测试平台,使用NI控制卡、转速扭矩传感器、放大器、磁流变仪等,记录不同工况下转动轴的转速和扭矩信号。
在零磁场(未通电流)转速为n的稳态条件下,由于磁流变液黏性阻力的作用,会产生初始转矩T0;加入磁场后(接通电流),磁流变仪的转矩随磁场的增大而增大,即转矩随电流增大而增大。因此,可将电流I作为系统输入信号i(t),转矩增加量Tt作为系统输出信号,建立如下模型:
式中,a2、aβ1和a0分别为二阶导数项、分数阶导数项和零阶导数项的系数,a2和a1的单位分别为s2和s。
β取值范围与系统黏弹性的关系如下:
(1)当β=0或β=2时,黏弹性项退化为弹性项或惯性项,但系统一般具有黏性阻尼作用。
(2)当β=1时,系统为典型的二阶系统。
(3)当0<β<1时,系统具有黏弹性,β→1时,系统更趋于黏性,β→0时,系统更趋于弹性。
(4)当1<β<2时,有两种可能的情形:①系统的惯性增强,导致惯性与黏性的耦合;②系统弹性增强,导致弹性和黏性的耦合,产生黏弹性效果。
3 分数阶模型的数值解
文献[11]证明了非线性分数导数方程的数值解和解析解几乎相同。由G-L分数导数的定义[12]求解式(4)得到
式中,aj和βj分别为式(4)a0、a1、a2的系数和0、β、2的阶数,j=1,2。
w(βj)k可由下面的递推公式得到
4 实验分析
将采集到的转矩信号Tt进行归一化和滤波等预处理后,采用式(5)和最小二乘法拟合曲线方程。解得的分数阶微分方程(式(4))的各项参数值如表1和表2所示。图2为MRF-1在转速n=60r/min时的实测转矩和拟合转矩的比较图。由图2可以看出,分数阶的拟合更接近实测值,拐点处较明显,且分数阶拟合的残差平方和∑D(e)较小(表1)。实测转矩在达到平稳后仍存在周期波动,是由于磁流变仪扭矩轴稍有偏心导致的。
1.整数阶拟合转矩 2.分数阶拟合转矩 3.实测转矩
图3为MRF-2在不同转速(n=30r/min,60r/min,90r/min,120r/min,150r/min),输入电流为0.1A的工况下,剪切力矩随时间变化的曲线拟合图。由图3可以看出,磁流变液的剪切屈服力矩随转速的提高有增大的趋势,也即说明磁流变的阻尼特性随剪切速率的增大而增强;由图3还可以看出,相应转速下,磁流变液羟基铁粉质量分数的提高也会增大其剪切屈服力矩,如表3所示。另外,初始剪切屈服力矩T0也有相应的增大,如表4所示。总之,随着转速(剪切速率)和羟基铁粉质量分数的提高,其阻尼特性明显增强。
1.n=30r/min 2.n=60r/min 3.n=90r/min 4.n=120r/min 5.n=150r/min
在表1、表2中,出现β>1的情况,这并非巧合,由表中的aβ1/a2和a0/a2系数比值可知,分数阶模型与整数阶模型相比,当分数阶的系数aβ1/a2和a0/a2大于整数阶的系数aβ1/a2和a0/a2时,β>1,但两者之间主要取决于系数a0/a2的大小,即当分数阶的系数a0/a2突然大幅度增大,且大于整数阶的系数a0/a2时,其阶数β必大于1。同理,若分数阶的系数aβ1/a2和a0/a2小于整数阶的系数aβ1/a2和a0/a2时,β<1。仔细观察可知,相同条件下,分数阶的系数值大于或小于整数阶的系数值的程度可由β值的大小体现,如表5所示,假设P为分数阶系数a0/a2与整数阶系数a0/a2的比值。由表5可知,P值和β值的变化趋势一致。这说明β值在一定程度上能反映系统黏弹性的大小,即分数阶模型与整数阶模型相比,若β>1,则说明分数阶模型描述的系统黏弹性更强,反之,则说明分数阶模型描述的系统黏弹性稍弱,整数阶模型无法如此细微地描述系统的黏弹特性。
分析表1和表2可知:
(1)由于测试系统的传动链短,分数阶模型和整数阶模型的残差平方和都较小,但分数阶模型的拟合精度更高些,说明分数阶模型能更准确地描述黏弹性体的动态性能。
(2)系数aβ1/a2、a0/a2的值都很大,说明系统模型的黏性项和弹性项远大于惯性项,因此可以把测试系统看成是β阶系统。
(3)相同转速下,随着羟基铁粉质量分数的提高,系数a0/a2和β都有增大的趋势;同种磁流变液,随着转速的变化,系数a0/a2和β的变化趋势基本一致,说明β在一定程度上可以反映系统黏弹性的大小,同时也说明羟基铁粉质量分数和转速对磁流变液的黏弹特性有较大影响。
5 结论
(1)分数阶模型能更细微、更准确地描述磁流变液的黏弹性和系统的动态性能。
(2)随着转速和羟基铁粉质量分数的提高,MRF的剪切屈服转矩明显增大,即阻尼特性随转速和羟基铁粉质量分数的提高而增强。若将其应用于减振系统,则会大大提高减振能力。
(3)在相应转速下,分数阶模型的阶数β随羟基铁粉质量分数的提高而有增大的趋势,说明羟基铁粉质量分数的大小对磁流变液的黏弹性性能影响较大。
(4)阶数β是否大于1与弹性项和惯性项的系数a0/a2有关,当分数阶模型的系数a0/a2大于整数阶的模型的系数a0/a2时,其阶数β必大于1,说明分数阶模型描述的系统黏弹性更强;反之,当β<1时,则表示分数阶模型描述的系统黏弹性稍弱。
(5)当测试系统所建模型的阶数范围为0<β<2时,表明系统具有黏弹特性,也即说明磁流变液具有黏弹特性。
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楔槽式磁流变液离合器探究 篇4
近年来出现的磁流变液离合器是以一种新型智能材料磁流变液(Magneto-rheological Fluids,简称MRF)作为中间介质传递力矩的软连接离合器。磁流变液在没有外磁场作用的情况下表现出液体的流动性,使离合器的主、从动部件处于分离状态;当磁流变液在外磁场作用下则会表现出类固体性质,这种磁流变效应产生的剪切应力可用来传递力矩,而传递力矩的大小可由引起外磁场大小变化的励磁电流大小决定[1]。MRF离合器具有传递扭矩稳定、结构简单、易于控制、能耗低、寿命长等优点。但由于磁流变液离合器传递力矩不够大,其应用范围受到了限制,目前仅在汽车、健身设备、抛光设备等领域得到商品化的应用[2]。本文提出了一种能传递较大力矩的新型磁流变液离合器的结构形式——楔槽式,并通过分析其传递力矩的数学计算模型,与盘式磁流变液离合器的力矩模型进行比较计算。
1磁流变液离合器的工作原理
磁流变液离合器就其结构形式主要有筒式和盘式两种,在应用中以盘式居多,其结构原理如图1所示。其中,r10为磁流变液外径;r1为磁流变液内径;h为磁流变液厚度。主动盘在原动力的驱动下输出一定的扭矩,主动盘和从动盘之间的磁流变液在无外加磁场作用时呈现出牛顿流体的流动特性,只传递一般液体黏性阻力产生的力矩,离合器处于断开状态;当两盘间的磁流变液在励磁线圈通入直流电后产生的强磁场作用下,磁流变液的黏度可在毫秒级的时间内增加几个数量级以上,其黏度的变化随着励磁线圈电流的变化是连续的、可逆的,主动盘就是依靠磁流变液固化后产生的剪切应力将力矩传递给从动盘使离合装置结合。磁流变液传递的力矩大小可以随着磁场的变化而迅速变化,从而便于调节从动盘的转矩和转速。
2盘式MRF离合器传递力矩的数学模型
磁流变液在外磁场作用下,其微粒被磁化并沿磁场方向排列形成链状结构,产生的剪切应力可用宾汉(Bing-ham)流体模型[3]描述:
undefined。 (1)
其中:τ为磁流变液的剪切应力;τy为磁流变液的屈服应力;η为磁流变液的塑性黏度;undefined为磁流变液的剪切应变率,undefined为主、从动盘转速差,r为磁流变液处的半径。推导传递力矩数学模型需满足如下的假设条件[4]:磁流变液是不可压缩的;液体的流动是稳定的;液体呈层流状态,即在轴向和径向没有流动;磁流变液的体力不计;由于间隙很小,液体所受轴向压力沿厚度方向不变。
由式(1)可推知磁流变液发生磁流变效应时所能传递的转矩理论上是由τy引起的剪切转矩分量T1和由η引起的黏性转矩分量T2组成 。图1盘间的磁流变液内半径r1,外半径r10,在半径r处取一微圆环,其微面积ds=2πrdr,微力矩dT=rdF=τ·2πr2dr,积分得盘式结构传递的力矩为:
undefined
根据式(2)可分析得出影响传递力矩大小的因素有:磁流变液的内径和外径之比、屈服应力、磁流变液的厚度和塑性黏度以及主从动盘转速差。增大传递力矩的方法有:增加外磁场的大小以增大磁流变液屈服应力,这种方法受到磁场的饱和程度的限制;改变磁流变液的配比以增大塑性黏度;减小磁流变液的厚度,这种方法受到磁流变液流动性的限制;在结构上采取增大内外径比值的方法,这种方法受到空间限制及离心力影响,不能无限制地加大外径和减小内径。
3槽楔式MRF离合器传递力矩的数学模型
槽楔式MRF离合器的工作原理与盘式MRF离合器相同,其结构形式如图2所示。新结构中主从动盘互为槽型楔合,磁流变液处于间隙为h的楔缝中。为分析其力矩模型,将所传递力矩分为槽壁部分传递力矩Tb与槽底部分传递力矩Td分别计算。
ri-槽底槽壁相交点半径(i由内向外取2～9)
如图2所示在槽壁上半径r处取一微圆环,其微面积为ds=2πrdr/sinα,微剪切力矩为dTb=rτds=2πr2τdr/sinα,沿半径方向积分得槽壁传递力矩Tb为:
undefined
其中:r∈(ri,ri+1),i=2,4,6,8。
同理得槽底传递力矩Td为:
undefined
新型盘式离合器的力矩模型为:
T=Tb+Td 。 (5)
4两种结构计算比较分析
选取一组参数:磁流变液外径r10=75 mm,r1=20 mm,h=2 mm,τy=40 kPa,η=0.33,Δω=20 s-1,槽高H=10,槽倾角α=30°。将参数分别代入式(2)、式(3)、式(4)、式(5)中计算得:盘式MRF离合器传递的转矩约为34. 8 Pa;槽楔式MRF离合器能传递的转矩约为49.1 Pa。显然,楔槽式磁流变液离合器传递的转矩大于盘式离合器。
5结束语
本文分析了盘式MRF离合器的力矩模型,找出影响MRF离合器传递力矩大小的因素,提出了一种新型槽楔式MRF离合器的力矩模型,通过实例计算比较两种磁流变液离合器传递力矩的大小,得出在外形尺寸不变的情况下,槽楔式磁流变液离合器能传递较大的力矩。本文为槽楔式磁流变液离合器的控制仿真研究及实验研究提供了一定的理论依据。
摘要：通过对影响磁流变液离合器传递转矩大小的因素进行分析,在盘式磁流变液离合器基础上提出一种楔槽式磁流变液离合器的新结构形式,并用有限元的方法推导两者的力矩传递数学模型,通过计算比较两者传递力矩的大小,得出楔槽式磁流变液离合器能传递较大转矩的结论。
关键词：磁流变液,离合器,楔槽式,传递转矩
参考文献
[1]马久河,吕建刚,张磊.磁流变传动装置传递力矩分析与测试[J].磁性材料及器件,2005,36(4):25-28.
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